基于层次分析法的数控机床精度评价系统

孙惠娟

摘要：机床精度问题是机床设计厂家和用户普通关心的问题，针对机床的精度评价问题，利用层次分析法对实验对象机床进行了测评指标集的设计，构建机床精度评价指标体系，并根据用户的需求开发了数控机床精度评价原型系统，为数控机床精度的保持和提高奠定了理论与实践的基础。

关键词：层次分析法；数控机床；精度

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）31-0066-03

数控机床的各项误差对机床的加工精度有不同程度的影响，通过对各种误差源进行检测得到机床的各项误差值。根据机床当前测得的各项误差，如何来判断机床当前的整体精度与可加工能力，则需要对机床的整体精度进行综合评价，判断机床目前的整体精度状况，然后再进行逐层分析，找出哪些部件的误差对机床整体精度影响较为明显，判断在目前的精度状况下机床的可加工能力及精度未来的变化趋势。因此，利用机床的各项误差指标进行机床的整体精度评价的过程是一个由下到上、由局部到整体的过程。本文基于层次分析法的模糊综合评判对机床精度进行评价，根据用户需求开发基于J2EE平台的数控机床精度评价系统，实现对实验对象机床的精度进行评价与分析。

1 层次分析评判法

机床的精度属于多目标决策问题，可运用多目标多属性的方案评价与决策方法对机床进行评价和决策来确定机床精度状态。采用层次分析法确定评价指标权重，将评判的主要因素按属性分为若干层，首先在每一层内部进行综合评判，在对各层的评判结果进行层次间的高一层次的综合评判，同时运用模糊综合评判方法，求解机床精度评判模型，通过比较其综合精度，对机床精度进行评价。

层次分析法是一种定量与定性相结合的系统分析方法，不仅能够有效地对人们的主观判断做客观描述，而且简洁、适用，在对定性事件进行定量分析和模糊评价中，该方法应用比较广泛[1-4]。

层次分析法的主要步骤[5]如下：

1） 对构成评价系统的目的、评价指标等要素建立多级评价结构模型。

2） 对同一级的评价要素以上一级的要素为指标进行两两比较，并根据评价尺度确定其相对重要度，由此建立各个判断矩阵。

3） 计算各级判断矩阵的特征向量，确定各要素的相对重要度。

4） 最后计算综合重要度，对各种方案要素进行排序，从而为决策提供依据。

利用基于层次分析法对数控机床精度进行评价的具体过程参见论文[6]。

2 精度指标评价体系设计

利用層次分析法进行机床精度评价的第一步是建立多级评价结构模型，其中精度评价指标的选取尤为重要，所选取的指标既要尽可能全面，又要使精度指标的数据容易获取。本文运用层次分析法思想建立了如图1所示的评价指标体系，体系分三个层次，第一层为总目标因素集[U=U1，U2，U3，U4]；

第二层为二级目标因素集[Ui]，

其中[U1=U11，U12，U13，U14，U15，U16]，

[U2=U21，U22，U23]，

[U3=U31，U32，U33，U34，U35]，

[U4=U41，U42，U43]。

第三层为三级目标因素集[Uij]，

其中[U11=U111，U112，U113，U114，U115]，

[U12=U121，U122，U123，U124，U125]，

[U13=U131，U132，U133，U134，U135]，

[U14=U141，U142]，

[U15=U151，U152]，

[U16=U161，U162，U163，U164，U165]。

3 基于J2EE的数控机床精度测评系统

3.1 开发及运行环境

本系统使用J2EE作为开发平台，采用Myeclipse8.0+Tomcat5.5进行整体设计。服务器端采用Java编写，可直接应用于各种不同的服务器平台之上。数据库采用Oracle9i作为数据存储介质。系统环境基于微软Windows XP/Server 2003，系统架构采用WEB方式（B/S架构）开发，集成平台核心框架与各子系统采用基于XML Web Services技术的松散集成方式。系统采用MVC架构设计，进一步明晰各层次关系，增强构件可重用度，提高开发效率。

图2所示为系统的架构图。该结构基于组件进行系统设计，与平台无关。业务逻辑被封装成可复用的组件，J2EE服务器以容器的形式为所有的组件类型提供后台服务。

3.2 数控机床精度测评系统主要功能

如图3所示，数控机床精度测评系统主要分为基础数据浏览与修改模块、精度数据获取模块、判断矩阵修改模块、机床精度评价模块、测评结果显示模块五大功能模块。其中：1）信息浏览模块主要对系统的基础数据进行浏览，还包括对机床信息、检测工具信息、精度指标信息和精度数据信息进行添加、删除和修改等功能；2）精度数据获取模块主要有生成精度数据模版、上传精度数据文件、录入精度数据等功能；3）判定矩阵修改模块可实现对判定矩阵的查询及修改功能，该模块还提供了精度评价指标判定矩阵的修改功能；4）精度测评功能模块主要完成对机床精度数据的评价。利用精度数据获取子模块，用户能够将检测的精度数据存入数据库。该模块还可根据获取的精度数据和所选的精度指标项，对机床的当前精度（包括单项精度和综合精度）按照给定的算法进行评价，并给出评价结果；5）结果显示功能模块能够根据用户的需要，导出各个时间节点的各种精度测评报告、精度对比分析报告和精度改进建议报告，以PDF、Excel等满足用户需要的多种文件格式输出，并可在软件操作界面对所评价的结果以及历史数据以图形化方式显示。

3.3 数控机床精度测评流程

对数控机床精度进行评价的流程如图4所示。进入精度测评模块后首先选择所评价的对象机床，评价记录的时间为系统当前的时间。针对当前选择的机床确定要评价的精度指标项，可以选择任意多项精度指标进行评价，如果选择单项精度指标进行评价，则未选中的精度指标项其权重系数可设为接近于0的数，然后利用1～9标定法确定各层相邻两个指标项之间的重要性，建立整个评价体系中各层的判断矩阵。对于已经确定的判断矩阵求解其最大特征值并进行归一化处理，得到各层的权重系数。由专家组、相关工程人员对低层精度指标进行评价，并对评价结果进行统计和整理得到底层的评价矩阵。在确定了各层的权重系数和评价矩阵后，从低层开始逐层计算各层的评价结果向量，在对上一层进行评价时，其评价矩阵直接利用下层的评价矩阵进行计算，依此法逐层进行评价，最终得到最高层的评价结果向量。本文所开发的精度测评系统，可将每次评价的结果存储在数据库中，方便以后查询和对历史数据进行对比分析，预测机床的精度发展趋势。

3.4 数控机床精度测评典型模块运行实例

1） 测评系统主界面

成功登录系统后即进入如图5所示的系统主界面，主界面左侧的目录是测评系统的主要功能模块，点击某项功能，其主要功能模块界面可在右侧主页面中展现。

2） 精度指标浏览与修改界面

如图6和图7所示为精度指标项的信息浏览和修改界面，通过精度指标修改界面可以实现对所评机床的精度指标项进行添加、删除和修改等操作。

4） 精度获取界面

如图8所示，用户可以根据需要选择合适的方式对精度数据进行上传。上传的文件类型默认为Excel格式。在进行数据上传时，可以根據检测模式的不同，生成不同的模板数据，用户只需要在该模板中填入数据，再选择上传即可存入到相应的数据表中。

5） 精度测评界面

精度评价时，首先选择对象机床，然后确定机床精度测评的项目，即单项精度或综合精度。综合精度评价时的界面如图9所示，综合精度评价时用户可以选择任意多项评价指标。精度评价完成后，测评结果将以PDF文件的格式保存到指定的目录下。

6） 精度测评结果查看

测评报告模块可以根据时间节点查看前期测评结果。图10为机床综合精度测评结果，用户可以打开相应的测评报告。同时用户还可以在此界面上查看某台机床特定时间的评价报告、精度对比分析报告和精度改进建议报告等。

4 结论

本文介绍了利用层次分析法对数控机床精度进行评价的主要步骤，并根据用户的实际需要，开发了数控机床精度测评原型系统，利用该系统可方便地对机床当前的整体精度与进行综合评价，为数控机床的日常维护保养及加工质量的提高机床提供了依据。

参考文献：

[1] 刘宁.工程目标决策研究[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[2] 刘怡，张子刚.基于模糊层次分析法的工作流任务排序研究[J].计算机集成制造系统，2006，12（5）.

[3] 熊立，梁樑，王国华.层次分析法中数字标度的选择与评价方法研究[J].系统工程理论与实践，2005， 3（3）：72-79.

[4] Bard J F，Sousk S F.A tradeoff analysis for rough terrain cargo handlers using the AHP： an example of group decision making[J].Engineering Management， IEEE Transactions on，1990，37（3）：222-228.

[5] 吕正建.机床夹具评价体系及评价方法研究[D].大连：大连交通大学，2007.

[6] 封志明，殷国富.基于层次分析法的数控机床精度模糊评价[J].高技术通讯，2014， 24（2）：183-188.